印染企业废水热回收系统设计

曹浩淼 周亚素 东华大学环境科学与工程学院

郑建范 宁波象山恒大印染新厂

据统计2008年，全国纺织行业废水排放总量为 14.13 亿 t，，其中印染废水约为 11.3 亿 t（占纺织印染业废水的 80%） ，约占全国工业废水排放量的6%[1]。回收利用这些废热既能使企业节省生产费用， 又能为社会节约资源、减少环境污染，对企业对社会都十分有益。

根据调研得知，印染企业在生产过程中需要大量的热水 （60℃～95℃左右），同时漂洗等工艺产生温度较高的废热水（30～45℃） ， 这些废热水通常排放至污水处理厂，经过污水净化处理后排放。如果回收利用印染废水中的余热制取生产所需的热水，不仅可节省煤炭等高品位能源，提高能源的综合利用率，并且相应地减少污染物的排放，保护环境。

1 印染废水余热回收系统设计方案

1.1 工程项目概况

本文主要针对某印染企业的生产状况进行系统设计。该企业主要从事棉、涤棉针织物漂白及染色整理，拥有染色机45台，染整加工能力设计为50 t/d毛坯布。目前企业的生产用能主要是电力和热力，其中生产用水由自来水经蒸汽换热器加热后获得，蒸汽由附近电厂购入，生产工艺用的蒸汽压力为0.45～0.75 MPa，温度约为150℃，企业消耗蒸汽量约100 t/d，需要生产用水3 000 t/d左右。根据染色工艺的不同，企业排放染色废水量在1 800 t/d左右，废水温度在40℃左右，产生的废水经简单过滤处理后流送至厂区附近的污水处理厂进行处理。该企业生产情况的调研结果汇总如表1。

表1 企业用能调研表

1.2 废水余热回收总体方案

综合上面印染废水水源特性，为更多的回收利用余热，得到满足生产要求的热水（60℃左右），将余热回收方案定为带初级防腐热回收的水源热泵方案。生产过程中排放的废水分成两部分。

（1）废水源热泵蒸发器侧，采用中水循环吸热方式，即中间循环水先从废水中吸收热量， 生产时废水循环泵把废水（ 温度 40℃左右）送到中间热交换器中释放热量， 温度降到 20℃左右排放掉， 释放的热量被循环中间水吸收后再释放给制冷剂；

（2）废水源热泵冷凝器侧，先让冷水（15℃左右）与废水经过换热器进行初次热交换而升温至30℃左右，再通过废水源热泵的冷凝器换热提升到60℃左右。经过换热后的废水降温至25℃左右排放。产生的热水可以直接入染缸使用，也可以替代冷水，经蒸汽换热器换热后制备高温染色热水（90℃以上）。图1为该方案系统图。

图1 废水余热回收系统图

2 废水换热器的选择与设计

本系统中使用两个换热器，这两个换热器可选用喷淋式换热器、板式换热器和管壳式换热器。这几种换热器各有优缺点，适用范围也不同。[2]废水换热器的选择原则是，在保证有一定换热效率的前提下，尽量选用适应力强、运行时间长、容易清洗的换热器，进而减少印染废水结垢和腐蚀问题。综合考虑后，选用浮头式管壳换热器，换热器材料选择不锈钢材料。其结构如图2所示。

图2 浮头式换热器

换热器的设计计算[3]可采用下式：

式中hw为污水侧表面传热系数，kW/（㎡·℃）；λ1为管内黏泥导热系数，kW/（㎡·℃）；δ1为管内黏泥厚度，m； 为换热管厚度，m；λ2为换热管导热系数，kW/（㎡·℃）；hq为清水侧表面传热系数， kW/（㎡·℃）。

经过计算及参考其他工程实际及理论研究[3]，本工程系统设计平均传热系数为650 W/（㎡·℃），通过换热器1、换热器2的废水量设计为800 t/d、1 000 t/d。

（1）计算换热器1的换热量

计算得

（2）确定管壳式换热器的平均温差

φ——修正系数， 值取决于两个无量纲参数P及R，

它们各定义为

图3 双壳程，管侧偶数管程，φ-P关系图

（3）计算换热器1的面积

因此选用换热器换热面积为120.6 ㎡的不锈钢浮头式管壳式换热器2台，1用1备。用同样的方法对换热器2进行选型，换热器1、换热器2参数见表2所示。

表2 废水换热器设计参数

3 废水源热泵机组的选择

间接式废水源热泵系统在热泵机组选择上要比直接式废水源热泵容易一些，对蒸发器的选择不需要考虑太多关于废水对蒸发器表面的破坏，只需要按照常规选择热泵的方式即可。企业印染废水余热回收系统，设计通过余热回收为企业生产提供60℃热水，产热水量为800 t/d，负荷要求为3 489 kW，选择制热量为1 251 kW中高温螺杆式水源热泵机组3台，热泵机组参数见表3所示。

表3 废水源热泵机组参数表

4.经济性分析

企业当地能源消费参数如表4所示。

表4 经济性分析计算参数

（1）耗能量计算比较

企业生产60℃热水所需要耗热量和消耗的蒸汽量计算方法如公式（7）、（8）所示：

所以

通过计算可得每天产生800 t 60℃热水，所需要的耗热量为3489 kWh，如果要用蒸汽加热产生热水所需的蒸汽量为5.1 t。如果用本文设计的系统，利用废水源热泵系统回收热量，假设废水源热泵机组的COP为3.7，每天的耗电量为935.4 kWh，加上水泵和各种辅助设备的耗电量，废水余热回收系统的总的耗电量为960 kWh。

综上所述，企业采用废水余热回收系统每天可以为生产800 t热水，耗电量为960 kWh，折合标煤313.9 kg。如果用蒸汽加热得到这些废水将耗蒸汽量约为5.1 t，折合标煤597 kg。所以，余热回收系统每天可节省标煤283 kg。

（2）年运行费用比较

企业每年保证生产300 d，每天24 h工作制，废水余热综合回收系统每年运行费用为：960× 24× 3 00× 0 .907 = 627（万元）。加上换热器等设备的人工清洗维护费用约1.2万元；

如果用蒸汽加热来获得生产用热水每年的运行费用为：5.1× 24× 300× 2 05 = 752.8（万元）。

两者相比较废水余热综合回收系统每年节省运行费用124.6万元。

（3）投资回收期分析

对于本项目，采用印染废水热回收热泵需要的初投资费用包括热泵、换热器、水泵、水箱、电控系统、工程水电材料、施工安装等费用，对本项目设计的废水热回收系统估算初投资如表5所示。

所以改造原有的蒸汽换热器制备热水系统需要增加投资约160.2万元，年节约运行费用124.6万元，与蒸汽换热器系统相比，印染废水余热回收系统的投资回收期n为：

n=工程总投资费用/年节约运行费用=160.2/124.6≈15月

表5 废水热回收系统初投资

对于本项目而言，采用印染废水余热回收系统方案制备生产用热水，经分析投资回收期约为15个月，且每年可节省运行费用124.6万元，经济效益明显。

5 结语

印染废水资源有很大的余热回收潜力，如果把热泵技术用于印染废水热回收，其意义不言而喻。经分析，企业采用印染废水余热回收系统代替原有的蒸汽换热系统制备生产热水，相当于每天可节省283 kg标准煤，节省运行费用124.6万元/年，使企业具有良好的经济效益和环境效益。

[1]郭建强，刘洁，李越.关于印染废水治理的几点思考[J].中国经济时报.2005年8 月5日.第004版

[2]闫桂兰.污水源热泵系统的设计研究及污水换热器性能的改进[D].北京工业大学.2007.6

[3]钱颂文编.换热器设计手册.化学工业出版社，北京，2002：2-17

[4]连之伟编.热质交换原理与设备.中国建筑工业出版社，北京，2011.6